膨脹性泥巖隧道工程應對措施分析

田 松

(1.中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津市 300300;2. 中鐵建大橋工程局集團第五工程有限公司 成都市 610500)

0 引言

膨脹性泥巖地質具有吸水膨脹和泥化等特點,隧道施工遇到膨脹性泥巖地層時,隧道的早期支護變形大,位移變化大,若不采取有效的措施,將會造成隧道斷面減小,支護結構的混凝土開裂或損壞,從而增加施工難度。近年來,由于對膨脹巖土的認識不足,導致了一系列的工程事故和地質災害。所以,對膨脹性泥巖隧道的強度和穩定性的研究,對于隧道工程施工是十分必要的。在鐵路工程方面,南昆鐵路由于膨脹巖的廣泛分布多次使得路基和邊坡發生變形坍塌[1]。文章回顧了近年來有關膨脹性泥巖地質隧道的研究進展,對膨脹巖和泥巖的概念、類型進行了詳細介紹,對國內外關于膨脹巖的判別指標進行了統計分析,對有關膨脹性泥巖實驗特性進行了詳細闡述,對膨脹性泥巖隧道的研究進行了一定的說明。對這類問題研究將為膨脹性泥巖地區鐵路、公路隧道的建設提供寶貴經驗和建議。

1 膨脹巖的定義

膨脹巖在非飽和土類中是最具代表性的一類土之一[2],似巖非巖、似土非土,而且與水的關系極其密切,膨脹巖的親水性主要表現在強親水性黏土礦物蒙脫石和伊利石與水作用發生物理化學反應,隨著時間的推移,巖石含水率逐漸增加,體積也逐漸增大[3],而根據其物理力學性能,它是一種軟化、風化的軟巖,故稱為膨脹巖[4]。

2 膨脹性泥巖的綜合判別

2.1 膨脹巖的判別

表1 國外膨脹巖判斷指標匯總

表2 國內設計院膨脹巖判斷指標匯總

表3 國內其他膨脹巖判斷指標匯總

2.2 膨脹性泥巖強度分級

雖然泥質巖強度具有易變特性,但其在外力作用下抵抗永久變形和破碎的能力在工程應用中仍然是一項重要的指標,為此在對泥質巖的強度分布、強度大小與工程穩定性的關系的研究基礎上,以強度指標把泥質巖分為了4級,如表4所示。

表4 泥質巖的分級

綜上所述,只是因為不同學者對膨脹性泥巖的膨脹特性判別所依據指標有著不同的考慮,所以使得不同學者采用指標的個數有所差異。

3 膨脹性泥巖的膨脹力和工程應用研究現狀

3.1 膨脹性泥巖膨脹力研究現狀

《巖土工程基本術語標準》將膨脹力定義為在不允許產生橫向變形的情況下,使其充分吸收水分,同時又能使其不產生垂直擴張,所需要的最大壓力,也就是最大膨脹力。不同學者也對膨脹性泥巖的膨脹力進行了相關研究,王清洲等[5]以粒徑小于5 mm的膨脹性泥巖為研究對象,分別制備了多種不同直徑、不同干密度的試件,采用正交法分析了膨脹性泥巖的軸向與環向膨脹力影響的敏感性,并指出膨脹力隨粘土巖粒徑的增大而降低,同時隨干密度的增大而增大。尚彥軍等[6]對大阪引水隧洞穿越中侏羅統的泥質巖粘土礦物組份、微觀結構進行了系統的研究分析,依據該地質條件下的膨脹力等實驗研究得出了最大膨脹力出現在重塑樣烘干后,而重塑樣風干后的膨脹力一般會變小。

綜上所述,在對膨脹性泥巖(土)特性的研究中,干濕循環的次數、氣候、水環境、初始含水率、干密度、巖土體結構、裂隙結構面等密切相關,但由于各膨脹巖的分布區域和類型差異較大,使得各因子對膨脹性的影響具有一定的定量關系。

3.2 膨脹性泥巖隧道圍巖穩定性研究現狀

在隧道工程中,圍巖的穩定性與支護結構的安全性有很大的關系,目前國內外對其進行了大量的室內外試驗、數值模擬和監測量測等研究。尤其是在膨脹性泥巖中,由于開挖引起的圍巖應力重新分配,且在開挖初期容易產生裂縫而發生變形,長時期圍巖將會大量擠壓到隧道內,使底板出現大量隆起,從而給隧道早期的支護和襯砌帶來嚴重的損害,嚴重情況下會發生坍塌冒頂等造成事故,會使得隧道圍巖不穩定以及支護變形的現象顯著。

楊建國等[7]通過對在建平涼至定西的靜寧紅層泥巖公路隧道變形規律的研究得出,該地質條件下圍巖變形表現為緩慢-基本穩定的變化規律。張秀良[8]以胡家灣隧道為依托工程,對控制泥巖地層變形的隧道施工技術進行了詳細研究,結果表明,采取分段開挖和臨時仰拱成環的施工方法,對隧道的圍巖變形有顯著的抑制作用。朱文俊[9]通過對洞內外長期的位移監測,總結出頁巖泥巖隧道施工位移變化規律,解決了施工中的技術難點問題。馬曉文等[10]對西北地區某泥巖隧道利用有限元軟件研究了仰拱底部的圍巖軟化現象,結果表明,塑性區內部發生軟化后,仰拱底部將產生明顯的隆起。

3.3 膨脹性泥巖隧道施工方法研究現狀

膨脹巖性泥巖隧道施工一般采用全斷面法、臺階法、雙側壁導坑法、預留核心土法、新奧法等。劉雪冬[11]對處于炭質泥巖地層的興源隧道施工進行了研究,并提出了控制圍巖變形以及提高工程施工進度的方法,該方法不僅解決了該隧道的高難度施工難題,而且給該類的工程問題積累了寶貴的經驗。大量的工程實踐證明,膨脹巖洞必須遵循先柔后剛、先讓后頂、分層支護的原則,并著重于開挖斷面形狀、預留變形量尺寸、初襯的相關支護參數、仰拱的設計和施工。其中表5給出了國內部分膨脹巖隧道施工方法及支護參數。

表5 國內膨脹巖相關隧道施工方法及支護

3.4 膨脹性泥巖隧道施工要點

針對膨脹性泥巖引起圍巖變形大、變形發展速度快,且受周圍水文地質條件影響大等特點,建議采取“短開挖,弱爆破,強支護,快速封閉”的施工原則,因此,綜合國內許多學者的相關研究得出了以下幾點施工中需要注意的要點:

(1)針對常出現的圍巖和支護變形超限、持續發展的情形,提出了在拱基以下一定距離內采用錨固或鋼管注漿的方法。

(2)對膨脹巖隧道建議采取超前地質預報、超前支護、對初支設鋼拱架、噴射混凝土和打錨桿、對于膨脹地段的隧道,在這種情況下,二次襯砌的厚度要大于常規圍巖段,并具有較高的加筋率。

(3)初期支護采用柔性支護,預留適量變形量,并且支護結構要達到約束泥巖隧道圍巖及支護的膨脹變形,同時又可以降低膨脹壓力對支護結構的影響。

綜上所述,膨脹性泥巖地層中修建隧道與地下工程,有必要采用室內外試驗、理論分析、數值模擬分析和現場監測分析等多種方法,對其工程特點和施工要點進行細致的探討與分析。

4 結論

(1)膨脹性泥巖相關理論研究已經取得了一定的成果,但今后必須特別重視以下兩個方面:模型的計算與分析要結合研究對象的特征和工作環境,把握主要要素,忽視次要要素,力求簡潔;避免為創新而吹毛求疵、為創新而人為復雜化的傾向,從而更好地把有關膨脹性泥巖的研究結果應用于實際工程。

(2)膨脹性泥巖相關判別與分級也已經取得了一定的成效,但今后必須特別重視:針對實際工程選用合適的判別指標,盡可能形成實用型的規范,便于今后類似工程選用,特別是在膨脹性泥巖的相關研究方面,經過多年的發展也取得了顯著的成果,由于其是膨脹巖的一個分支,今后可以參照膨脹巖的總體經驗,應該做更多的研究工作。

(3)膨脹性泥巖地質及施工條件修建隧道,建議把理論分析、現場試驗及室內試驗、數值模型分析結合起來。

(4)膨脹性泥巖隧道項目相對較少,借鑒其他類型膨脹巖的施工技術和經驗,可為膨脹性泥巖隧道的建設提供寶貴經驗。